4. Трасса и план железнодорожной линии

По плану местности проектировщик намечает варианты трассы. Трассой называют линию, характеризующую положение продольной оси железнодо­рожного пути в пространстве. Вертикальный разрез по трассе, развернутый на плоскость, представляет собой продольный профиль, а проекция на горизонтальную плоскость — план линии. Процесс прокладки трассы назы­вается трассированием. При трассировании стремятся к тому, чтобы линия имела возможно меньшую длину, проходила вблизи населенных пунктов и в наиболее благоприятных условиях рельефа местности, пересекала крупные реки в удобных местах, требовала минимальных объема земляных работ и количества средних и малых искусственных сооружений. При этом нужно избегать пересечения болот, оврагов, неустойчивых косогоров, карстовых участков (участков с подземными пустотами, образовавшимися вследствие вымывания грунтовой водой гипсовых или известковых грунтов) и других мест с неблагоприятными гидрогеологическими условиями.

С характером линии, ее профилем и планом, связаны объем строитель­ных работ и стоимость строительства, условия эксплуатации и размеры эксплуатационных расходов, безопасность и плавность движения поездов. Для обеспечения удобств эксплуатации и минимальных эксплуатационных расходов, т. е. минимальной себестоимости перевозок, желательно чтобы профиль пути имел пологие спуски, площадки и небольшие подъемы, а план представлял собой прямую линию. Подобное трассирование линии назы­вается вольным ходом, и его можно применить лишь в равнинных и мало­населенных местностях, где не требуется преодолевать большие высоты, водные преграды, обходить неблагоприятные в гидрогеологическом отноше­нии места и обеспечивать заход линий в заданные промежуточные пункты. В большинстве же случаев трассирование ведут напряженным ходом, при котором необходимо искусственно удлинять (развивать) линию и многократ­но изменять направление ее хода, чтобы обойти препятствия. Для сильно пересеченных или гористых местностей, а также местностей с трудными геологическими условиями разрабатывают и сравнивают не­сколько вариантов трассы, из которых выбирают лучший на основе технико-экономических расчетов, соизмеряя начальные капитальные вложения в строительство линии с будущими эксплуатационными расходами и степенью удовлетворения народнохозяйственных требований.

План железнодорожной линии — это сочетание прямолинейных и кри­волинейных участков. В равнинных, степных и пустынных районах преоб­ладают длинные прямые участки, в пересеченной, густонаселенной или го­ристой местности — кривые участки с относительно короткими прямыми вставками. На рис. 15 приведена схема круговой кривой. Геометрические ха­рактеристики кривых участков пути следующие. Угол поворота — внешний угол между первоначальным и отклоненным направлениями оси линии, равный углу, вершина которого находится в центре круговой кривой, (центральному). Точки М и Я примыкания ее к прямым участкам назы­ваются началом и концом круговой кривой. Расстояния Т от начала и конца кривой до вершины угла поворота О называются тангенсами кривой; линия, делящая угол МОН пополам — биссектрисой. Расстояние между точками М и Н, измеренное по кривой, составляет длину кривой К. Элементы круговых кривых геометрически взаимосвязаны. Задаваясь величинами од­них, можно, получить значения других. Так, зная угол поворота ۴ и зада­ваясь радиусом R, можно определить тангенс

(6)

а также длину кривой

(7)

Расстояние от вершины угла О до середины кривой по биссектрисе

(8)

Ордината любой из промежуточных точек между началом и концом кривой

где x – расстояние от начала или конца кривой в направлении к ее середине до данной точки, м

Линия лучше вписывается в рельеф пересеченной местности при воз­можно меньших радиусах кривых и частых углах поворота. Однако кривые малых радиусов могут быть оправданы лишь в исключительных случаях, так как они увеличивают длину линии, требуют снижения скоростей движе­ния по ней, увеличивают сопротивление движению, вызывают интенсивное расстройство пути и подвижного состава, сокращение сроков их службы. Поэтому необходимо проектировать возможно более пологие кривые. На вновь строящихся линиях, где предусматривается скоростное движение пассажирских поездов, радиус кривых должны быть, как правило, не менее 2000 м, а в трудных условиях — не менее 1500 м. Минимально допускаемые радиусы кривых при проектировании вторых путей, электрификации и усилении существующих линий принимают при максимальной скорости v = 38,8 м/с (140 км/ч) от 1500 до 950 м, а при v = 44,3 м/с (160 км/ч) — от 2000 до 1200 м.

Рис. 15. Элементы круговой кривой

Станции, разъезды и обгонные пункты, а также отдельные парки и вытяжные пути следует располагать на прямых участках. В трудных условиях допускается размещать их на кривых радиусом не менее 1500 м, а на линиях со скоростями движения пассажирских поездов до 33 м/с (120 км/ч) и грузовых до 22 м/с (80 км/ч) — не менее 1200 м. В особо трудных топографических условиях разрешается уменьшать радиус кривой до 600 м, а в горных — до 500 м.

Если прямой участок пути будет сопряжен непосредственно с круго­вой кривой, то при входе подвижного состава на нее мгновенно возникнет значительная центробежная сила. Каждое колесо проходящего поезда начнет резко ударять о рельс, вызы­вая у пассажиров неприятные ощу­щения, а у пути и подвижного состава интенсивный износ. Чтобы обеспечить плавность движения прямые участки и круговые кривые, а также смежные круговые кривые разных радиусов сопрягают переходными кривыми, особенность которых та, что их кривизна (величина, обратная радиусу) не постоянна, а нарастает постепенно от бесконечно малой в точке примыкания к прямому участку до значенияв точке слияния с круговой кривой (рис. 16). Радиус переходной кривой в ее начале, а в конце снижается до. В пределах переходных кривых постепенно возвышают наружные рельсовые нити над внутренними до требуемой величины.

Рис. 16. Схема сопряжения прямого участка с переходной кривой:

а — план; б — возвышение наружной рельсовой нити над внутренней; I—прямой участок; II—переходная кривая; III—круговая кривая; н — наружная, в — внутренняя рельсовая нити; НПК — начало, КПК — конец переходной кривой

Рис. 17. Схема сил, действующих на подвижной состав в кривой при возвышении наружного рельса

Переходные кривые обеспечивают постепенное нарастание центробежной силы, действие которой нейтрализуется центростремительной силой, возрастающее благодаря постепенному возвышению наружной рельсовой нити над возвышение наружной рельсовой нити в конце переходной кривой на величину h сохраняется в пределах всей круговой кривой, а на следующей переходной постепенно снижается и в точке примыкания ее к прямому участку обе рельсовые нити снова оказываются в одном уровне. Переходные кривые можно не устраивать лишь на путях с маневровым движением. Разбивают круговые и переходные кривые по специальным таблицам. Возникающая при движении подвижного состава центробежная сила I (рис. 17), направленная по радиусу в сторону от центра кривой,

(10)

m – масса единицы подвижного состава ;

G – вес единицы подвижного состава;

g – ускорение свободного падения;

V – скорость движения.

Подставив в формулу (10) значение m, получим

(11)

Центростремительная сила H, вызванная возвышением наружной рельсовой нити,

(12)

- возвышение наружной рельсовой нити, мм

- расстояние между осями рельсов; в расчетах принимается 1,6 м

Возвышение h должно быть таким, чтобы центростремительная сила H уравновешивала центробежную силу I (H=I). Тогда, приравняв правые части уравнений (11) и (12) получим

(13)

Подставляя в формулу (13) =1,6 мполучимV в м/с R в м

(14)

Поскольку у проходящих по кривой поездов различные скорости, в формуле (14) принимают среднюю их величину, взвешенную по массе составов.